基于情感计算的空巢老人陪伴机器人设计研究

李佳　祁娜

摘要：近年来，我国空巢老人逐渐增多，他们需要更多的情感关注，而陪伴机器人的出现解决了这方面的问题。文章首先阐述了情感计算理论，梳理了情感计算的基本流程;然后，构建基于情感计算的空巢老人情感交互Agent模型，推导出用户的情感反应示意图;最后，运用情感计算理论研究空巢老人智能化陪伴机器人设计的流程，并赋予设计实践。以期为空巢老人提供便利的生活，给予他们关怀与陪伴，帮助其建立生活及社交的信心。

关键词：情感计算;空巢老人;智能陪伴机器人;情感交互Agent 模型;人机交互

中图分类号：TP242 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2021）11-0026-03

据《国家人口发展规划（2016—2030 年）》指出中国60 岁及以上的人口占比达到16.1%，并呈上升的趋势。我国人口老龄化问题随着社会的发展愈加严峻，空巢老人比例也不断增长。这一特殊群体的出现，是我国人口老龄化程度加深的必然结果。在长期独居的情况下，空巢老人孤独、焦虑等心理会对身体健康造成危害。如何使空巢老人的负面情绪得到舒缓，如何为其建立更多的生活信心等问题亟待解决。

1情感计算概述

情感计算是关于情感、情感的产生以及影响情感因素的研究[2]。该理论为当下人机交互领域的热门话题，研究产生了一些有价值的成果，但较少将情感计算理论运用到产品设计领域。学界对于情感计算的最新定义为：以通过赋予计算机识别、理解、表达和适应人的情感能力为目的，建立和谐的人机环境，与此同时赋予计算机更高、更全的智能。人的情感十分丰富，情绪时常变换，机器人拥有的情感能力可以促进与人良好关系的建立。而情感计算以人类情感为基点，利用计算机仿真技术与方法将人类情感进行量化分析，并进行适当反馈。

2 空巢老人生理与心理特征

2.1 空巢老人的生理特征

隨着老年人年龄的不断增长，其身体各项机能也相应减弱。从生理角度可将老龄化的过程理解为感知、认知、行为3个方面的衰退。首先，老年人年龄的增长使其感知能力减弱，对事物的敏感程度也随之下降;其次，老年人对事物的理解与认知能力开始显著下降，在现代信息社会的背景下，老年人对新信息的接受度变弱;最后，随着年龄的增长，老年人的生理机能衰退，其行为尺度与年龄呈反比，生理机能的衰退会直接影响老年人的平衡力、支撑力及身体灵活度。

2.2 空巢老人的心理特征

与生物学意义上的老年人不同的是，一方面，空巢老人与子女长期处于分开居住的生活模式，失去子女的照顾与帮助，空巢老人的生活起居通常需要独立完成，其生活质量明显下降;另一方面，由于缺乏子女陪伴或疏于人际交往，空巢老人缺乏情感慰藉，加之社会资源无法平等分配，其生理、心理健康都会受到影响。老年人生理机能衰退会引起心理状态的变化，空巢老人心理状态的变化浮动尤为明显。其一，空巢老人脱离子女单独生活，在无法第一时间得到子女关怀的情况下，其安全感极度缺失，时常陷入紧张、恐惧等不良情绪;其二，面对社会的更新换代与扑面而来的繁杂信息，认知能力下降的老年人容易陷入自我怀疑，没有子女辅助的空巢老人，常产生自卑及焦虑情绪;其三，由于空巢老人长期缺乏情感慰藉，其幸福感及生活满意度大为下降。此外，据相关研究显示，与非空巢老人相比，空巢老人主观幸福感相对较低，其身体状况也相对较差。非空巢老人在社交关系与语言沟通方面的表现也更加良好。

3 空巢老人陪伴机器人的设计现状及存在问题

3.1 空巢老人陪伴机器人的设计现状

我国作为新晋的老龄化人口大国，老年陪伴机器人在该背景下备受市场青睐，前景广阔。当前，针对该人群的主流机器人从功能上可将其大致分为健康监测、远程监控及互动三大类型。如图1 所示，（a）产品为健康医疗监测型机器人，主要功能为辅助医疗;（b）与（c）产品为远程监控型机器人，主要用于子女远程关注老年人的动态并进行互动联系;（d）与（e）产品为互动型机器人，以语音交流、对话问答及执行简单的语音命令为主要功能。另外，三种类型机器人产品存在功能交叉的现象，市场定位较为模糊。因此，各类型机器人产品的专业性无法凸显，区分度较低。

由于空巢老人群体的特殊性，智能陪伴机器人在满足其基本功能基础上，欲发掘用户深层次的情感需求。现今市场上的老年人陪伴机器人类型多种多样，如（d）与（e）产品的互动型机器人将主要功能保留为与用户之间的语音互动，且灵活性强、个性化服务，以及氛围制造等特征使其从众多类型产品中脱颖而出。

3.2 空巢老人陪伴机器人设计的存在问题

从上述对语音互动类型的陪伴机器人的描述中不难发现，功能上，该类型产品停留在智能语音交互的阶段。虽然可以满足部分空巢老人的情感需求，但对更深层次的精神情感需求的挖掘与满足还有较大进步的空间。色彩上，以白色、黑色、灰色及蓝色等冷色为主要构成色，体现出产品的工业风与科技感。此外，该类色彩在智能产品上的应用，还无法与老年人对于该类色彩的认知能力相适应，会让老年用户产生使用疏离感。造型上，大致分为仿生式造型与方正式造型两大类，仿生式造型可以有效缩短老年用户对机器的心理距离，但方正式造型还未脱离传统家电的造型，无法激起老年用户的使用好奇心。

4 基于情感计算的空巢老人陪伴机器人系统设计流程

空巢老人这一特殊群体作为用户，其情感、意识在一定程度上会影响其交互行为。在智能产品使用过程中一旦碰壁，容易产生自我否定的消极心理[6]。斯维哥特认为，在老年用户与技术互动的过程中，既要运用现有技术来主动适应老龄用户在感知、认知、行为等方面的衰减与局限，又要整合新技术进行适应性设计以解决老龄用户的困难，并提供新的生活方式和机会。因此，机器若能主动地感知该类用户的情感与意识，去机械化的同时赋予机器自然的情感，则可以更好地理解用户的行为意图，为老年用户提供关怀。探索空巢老人特殊群体情感产生与反馈的关系，研究老年人群的情感需求特征，通过情感信息的接收、识别与分析，对用户情感信息进行特征提取，构建空巢老人情感交互Agent 模型，最终形成完整的产品系统架构。基于情感计算理论研究智能产品与特殊用户之间的交互关系，促进产品与服务系统创新，促使智能陪伴机器人产品以“ 真”智能，理解用户情感进而及时做出情感反馈，使机器代替人为用户带去更多的情感关怀（如图2）。

4.1 基于情感计算的空巢老人情感交互Agent 模型构建

IT界的Agent（智能体）概念最初由Minsky 提出[8]，是一种具备感知能力，并能够自治运行以实现目的的机器或软件系统。Wooldridge 将其定义为处于一定环境的计算系统，其行为比较灵活、自主[9]。人的情感是一种主观的内在体验，也是智能Agent的重要属性。

情感被Agent系统感知、分析处理并给予反馈。情感交互Agent 可以为空巢老人用户提供服务，赋予机器共情能力，为人机交互建立良好的关系。如图3 所示，基于情感计算的空巢老人情感交互Agent 模型主要由五部分构成，即感知系统、认知系统、行动系统、情感系统及人机界面。感知系统可以由传感器、摄像设备或图片采集装备等获取空巢老人的人脸表情、姿态及语音等数据信息;认知系统对感知系统所获取的用户情感信息进行识别与分析，将情感信息分类并提取情感信息特征，如中性情感、开心、悲伤、惊讶、害怕及生气等情绪;行动系统根据认知系统所计算出的情感信息结果进行判断，推断用户此时的情绪状态，将识别到的情绪状态进行合理的情感反馈。

4.2 空巢老人陪伴机器人情感计算系统的架构

此系统通过摄像设备、传感器、人脸表情识别及智能语音识别等人工智能技术，收集与获取空巢老人用户的情绪，将情绪特征进行提取与分类，传送到服务器进行情绪识别。计算机再根据识别结果做出反馈，反馈形式包括但不限于语音、图像或动作等方式。以智能陪伴机器人为载体，让空巢老人与其进行良好的互动，用户情感的深度挖掘加上多样的反馈方式可以给老年用户带来更真实且沉浸的感受。智能识别技术的应用可以减少用户的操作流程，符合各项生理机能处于衰退阶段的老年用户的需求。主动识别并理解用户，使空巢老人特殊的情感情绪得到关注，一定程度上带给老人关怀和慰藉，自然和谐的人机交互形式将为空巢老人群体带来更多的福祉[10]。

如图4 所示，传感器、人脸表情识别及智能语音识别技术在整个情感计算系统架构中起到重要作用。（1） 传感器技术。传感器是信息获取的重要手段，智能传感器可以对外界即老年用户表现出来的情绪进行检测、自诊断、数据处理，以及自己的适应能力。模仿人类的感知能力与反应能力，由此可促使机器人更好地理解人的情感，实时感知外部环境变化。传感器技术在针对空巢老人的智能陪伴机器人的应用中，收集、分析用户信息，简化了许多不必要的操作步骤，减少了老年用户对电子产品这类新兴事物的抵触心理。（2） 人脸表情识别技术。用户的情感数据可以通过多种渠道获得，人脸表情识别技术是随着计算机技术与人工智能的迅猛发展而新兴的技术。人脸表情识别是机器人理解人类情感的基础，该技术主要分为三部分：用户人脸图像的采集、表情特征提取及表情分类。空巢老人所处的环境及其心理使得他们对情感交流更加向往，而机器与人之间若有情感的交互，则可促使机器人更好地为用户服务，增加用户的愉悦感。（3） 智能语音识别技术。也称自动语音识别，将用户语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入，继而进行智能反馈。加以情感语音识别与合成，可确保机器人对空巢老人情感的理解，分析空巢老人的情绪状况，确保机器人对获得的语音信息更加精确、可靠。

5 基于情感计算的空巢老人陪伴机器人设计实践

结合前文相关理论研究及模型构建，针对空巢老人这一特殊群体，在适应其心理及生理特征的基础上，设计的一款能主动识别情感并能及时反馈的陪伴机器人产品（图5）。

5.1 设计定位

5.1.1 实用性

产品的实用性一般由产品的实际功能来体现，这就要求陪伴机器人应以降低老年人学习使用产品的成本、排解孤独情绪、带来情感慰藉为功能导向，以此满足空巢老人群体的实际需求。

5.1.2 易用性

简化复杂操作、减少超出老年用户认知以外的交互方式能体现出产品的易用性，通过情感计算、传感器技术及智能识别等技术来降低老年人使用产品的学习和认知成本。以建立老年用户使用智能机器人产品的信心。

5.1.3 安全性

好的產品在其安全性方面也应有体现，尤其是面向与子女分开生活的空巢老人，更需要设计师从多方面考虑产品的安全性。依据空巢老人特殊的生理及心理特征，陪伴机器人的“安全”可以体现在产品的使用安全、保护用户的健康安全两方面。

5.2 设计构想

5.2.1 使用功能

通过情感计算技术实现主动识别空巢老人情绪的功能，及时做出语音反馈，兼备远程监控、通话、语音互动及健康监测等功能。基于情感计算理论，运用传感器、人脸表情识别技术及智能语音识别等人工智能技术对空巢老人的情感进行采集并识别，建立空巢老人情感交互Agent 模型以推测用户情感，挖掘其情感需求。

5.2.2 色彩造型 该设计为适应老年人随年龄增长而衰退的认知，从视觉、听觉以及触觉上为其考虑，尽可能为空巢老人带去情感上的慰藉和心灵上的关怀。机身色彩以波长较长的橙黄色为主，尽量避开让老年人感到分辨困难的蓝绿等短波颜色。机身造型以圆润形态为主，线条流畅，促使用户对机器人的感受由工业的、冰冷的向关怀的、亲和的转变。

5.2.3 人文关怀 面向老年人的产品除了需要考虑产品的易用、实用及安全等特征，还需要综合老年用户的心理特征来适度增加产品所体现出的人文关怀。智能陪伴机器人产品是从情感方面关怀空巢老人的设计，通过技术手段或产品设计达到对老年用户的陪伴与关爱，也最大程度降低了空巢老人的学习成本，提升其心理预期。

6 结语

为空巢老人设计的智能陪伴型机器人仍处于起步阶段，产品功能方面在不断摸索之中，尤其是对用户的情感交流与陪伴还限于单向的语音命令执行，对用户更深层次的情感挖掘还有进步的空间。空巢老人相较于非空巢老人，其心理特征更为复杂多样，对情感更为向往与依赖。这就要求设计师们在关注该类人群时，将目光尽可能放在其实际心理需求上。感性的情绪也可以被理性的计算，使机器人具有类似人的情感交流行为，主动识别并理解空巢老人的情绪，给予老人情感关怀以填补老人的情感缺失。情感计算为空巢老人陪伴机器人设计提供新的思路，情感交互Agent模型也可为今后同类产品的系统设计开发提供指导。